二光纤传感器原理..ppt

二.光纤传感器原理，这里介绍了外部参数在光纤内传输光的方法，即各种调制的原理和方法。光纤对许多外部参数有一定的影响，研究光纤传感原理是研究光纤的这种效果应用方法，实现外部测试参数的“传递”和“感觉”功能。这是光纤传感器的核心是光纤传感器系统和光纤通信系统的主要区别。光纤传感器的调制区域可以是光纤本身(内部调制)或其他物质制成的敏感元件(外部调制)，根据调制原理，仅研究由于内部调制或外部调制等外部因素而导致光变化的特性。I .强度调制-利用外部因素改变光纤的光强度，测量光强度变化，测量外部物理量的光纤传感器的初始调制方式。光纤强度调制传感器的结构、特性、简单技术、可靠性、低成本。可以使用多模式光纤。光纤的连接和耦合容易使用的光纤连接器和耦合器已经商品化。光源可以使用非干涉光源，例如稳定的LED输出。构成传感器探针的物理机制，(A)使用线性位移或角度位移调制、原理图、输入输出相同的单模光纤，并且S0是光纤中的光斑大小，则径向位移d与功率耦合系数T的关系为高斯曲线，T，d，A，最佳传感区域，特性，光纤入射纤维保持不变(消除微分法)。发射光纤以进行位移或旋转。(b)光栅调制、电路图、特性、入射光和射出光纤均保持不变，依赖于遮光屏的运动，以根据外部因素调制光输出强度。遮光屏本身的材料不受限制，可以是固体，也可以是液体。入射光和射出光纤的端面要安装准准镜头。(c)反射强度调制、原理图、传播梁、双光纤、单光纤、特性、入射光纤和发射光纤可以是单光纤或两种光纤。非接触，小探头，高频率响应，好线性。测量位移 100m。(4)由于光纤微弯曲引起的损失而调制的原理图、特性、光纤微弯曲时，部分核心模式能量转换为封装模式能量，并且可以测量封装模式下能量或核心模式能量的变化，以测量外部物理量的大小。主要用于物理场测试，如变形。分辨率可达0.1nm。选择与空间周期光纤中相应选择的两种模式的传播常数差异相匹配的相应空间周期。光纤的光功率分布取决于此空间感应耦合，一些从原始核心传播的光被传送到数据包层。相位匹配条件和是导致合并的两种模式的传输常数。两种相邻模式、传输常数差值、用于特性光纤折射率分布的参数、芯半径、总模式、图案标签、相对折射率差值、梯度折射率光纤=2、阶跃折射率光纤a是核心半径。m是正常模式。m是图案标签。功能，可以使用多模式光纤。导致耦合损耗的两种模式之间的耦合要成为最佳值，必须根据情况设计相应的调制周期。(5)利用折射率的变化，调制特性：当光纤的芯折射率恒定时，外部因素的变化导致光纤的包层折射率的大小发生变化，其中光的强度发生变化。典型图，(6)利用光纤的吸收特性的调制光线的辐射增加光纤的吸收损耗，减少光纤的输出功率，构成强度调制的测量辐射量的传感器。用于测量各种辐射(例如x射线大小)的原理图、特性。灵敏度高，线性范围大。实时性强。典型应用：卫星空间剂量监测；核电站放射性物质堆中辐射量的大面积监测。，其他强度调制方法使用基于外部参数的光纤模式斑点图的强度变化来测量要测试的物理量。ii .波长调制-颜色调制，概念使用外部因素改变光纤中光的波长，通过测量光波长的变化来测量外部物理量。对导致光纤或连接器损失增加的某些设备的稳定性不敏感的特性。解调技术很复杂，经常需要光谱仪。比率测量通常基于需要校准的两个波长的测量，以建立比率测量所需的参考点。探测的波长范围是有限的。常用的外部因素透射光的光谱成分中不同波长的光吸收特性。溶液浓度的化学分析等。外部因素导致光的波长漂移。光纤光栅应力传感器、光纤光栅温度传感器等。第三，频率调制，概念使用外部因素改变光纤的光频率，测量光频率的变化，测量外部物理量。其特点是外部因素以多普勒效应的形式影响光的频率。应用于移动目标检测。空间分辨率高，光线不干扰流状态。多普勒效应，研究光源和观测者之间相对运动对接受光的频率的影响。频率为f的光进入基于探测器速度v的运动物体时，物体反射到探测器上的光的频率是c是真空的光速，光纤多普勒系统是典型的应用领域，血液流动速度监测传感器移动物体速度监测传感器，4相调制，概念是利用外部因素改变光纤中光波的相位来测量外部物理量。特性，灵敏度高，灵活多样的几何形状。工作对象广泛。需要特殊光纤。目前市场上所有种类的光探测器都不能检测光波相位的变化，必须将光的相位变化转化为光的强度变化，才能测量外部物理量。光纤传感器的相位调制技术包括两部分，即产生光相位变化的物理机制。光干涉技术。相位调制器根据干涉测量原理将两个相干光振幅分别设置为A1和A2，当其中一个光的相位受到特定因素的影响时，两个光在干涉区域内产生干涉，每个点的亮度是由：外部因素引起的两个相干光之间的相位差。a的变化可以得到的变化，可以进一步推导出要测试的物理量的变化。构成相位调制传感器检测探针的一些物理机制，应力应变效应光纤受到纵向(轴)的机械应力时，光纤的长度(应变效应)，光纤的芯径(泊松效应)，光纤的芯折射率(光弹性效应)都会发生变化，并且会发生这些变化光波通过长度l的光纤时发生的光波相位延迟是光波的传播常数。光纤的长度或传播速度发生变化时发生的光波相位变化是a为光纤的核心半径的第一个项目：光纤的长度变化引起的相位延迟(应变率效应)第二个项目：光纤的诱导折射率变化引起的相位延迟(光弹性效应)第三个项目：光纤的核心直径变化引起的相位延迟(泊松效应)、纵向变形的相位调制-a是光纤的芯半径，l是光纤长度，而光纤的光弹性系数。光纤的径向变形。光纤的纵向变形。温度-应变效应将光纤放置在变化的温度场中，并将温度场的变化设置为与作用力f相等时，力的存在影响光纤的长度和光纤的芯折射率，从而导致光波相位的变化。由力f引起的光纤的相位延迟是由温度变化引起的相位延迟光纤的长度变化引起的相位延迟光纤的核心折射率变化引起的相位延迟，一些常用光纤干涉仪M-Z光纤干涉仪结构：原理：根据双光束一致性原理，由两个光探测器接收的亮度分别为，其中，光亮度的耦合系数，由两个光探测器接收的亮度的变化对外部参数的相位移位进行检测，并且可以通过该变化进一步推导外部参数。2 .萨格纳克光纤干涉仪结构：原理：当封闭光路相对惯性空间旋转到旋转速度时，逆时针方向传播的光产生不可互换的光路差，引入光路差在相反方向传播的两个光波之间的时间差，进一步引入相位延迟。其中a是光纤环的面积，n是光纤的转数，是角速度。3 .F-P光纤干涉仪结构：光程各：d，3d，5d.引入光波间时差，进一步引入了相位延迟。每条光线是一致的叠加，可以通过亮度的变化得到外部参数的变化。典型应用：应力传感器、位移传感器等。4 .迈克尔逊干涉仪结构：光束被3dB耦合器分割成双向入射纤维，光在末端反射，通过耦合器输出到探测器。S(t)作为外界信号，引起双臂的光路差异，通过检测器进行信号强度检测，可以获得外部参数的大小。S(t)、干涉仪的分类、第一类：M-Z光纤干涉仪、萨格纳克光纤干涉仪、迈克尔逊干涉仪检测光强度大小主要与两种光束光的差异有关。第二类：F-P光纤干涉仪检测光强度大小主要与空腔长度相关，多光束干扰。5.偏振状态调制，概念：利用外部因素改变光纤中光的偏振特性，测量光的偏振状态的变化，测量外部物理量。特征：光纤具有低固有双折射。因为光纤本身的双折射对偏振状态调制有很大的影响，严重的话，甚至完全潜到人为的偏振状态调制。光的偏振，振幅差异，相位差，光的偏振，线偏振，圆极化，椭圆偏振，E，Ex，Ey，在理想的环形对称光纤中完全退化，x=y，两种模式的存在，单模光纤，如果光纤不是理想的环形对称波导，则图案的收缩性消失，这种现象称为单模光纤的双折射。光纤中的双折射，双折射，介质的各向异性，不同方向的介电常数不同的折射率，光纤双折射，LPx01，LPy01的简退，x y，由于过程中固有的不完全，偏离了理想的圆对称，光纤弯曲随机=VDL bvd是物质的毛皮常数。主要应用领域：光纤电流传感器、光纤磁场传感器等，如果光纤电流传感器图中的长直线导线上存在n形环纤维，则I是导线通过的电流=vdni，2。Kerr电光效应定义：当线偏振在垂直于电场的方向上通过Kerr盒时(kerbox:物质在外部电场作用下产生双折射现象)，沿被发光矢量分割的电场方向的o-光矢量，光矢量垂直电场方向的e光矢量和Kerr常数外部的场强，光路径差：相位输出光波的强度为：外部参数的大小可以通过亮度的变化来测量。主要用途：光纤电压传感器，3。定义光弹性效果：如果材料的特定方向上存在压力或张力，则该方向上材料的折射率与其他方向上的折射率不同，该方向上偏振的折射率为ne，垂直方向上偏振的折射率为no，则： n=no-ne=kpk是材料的压力光学系数，p是外加压力。同样，折射率的变化可以得到光的路径差、相位差，最终可以得到光的亮度，亮度的变化可以测量外部参数的大小。主要用途：光纤压力、声音、振动、位移等传感器，6 .时分调制，概念：利用外部因素调制返回信号的基带频谱，检测基带延迟时间、振幅大小变化，测量各种物理量的大小和空间分布。特征：分布式传感器的基本典型应用：光纤光栅列车实时跟踪系统、OTDR等、分布式检测、分布式光纤检测技术在70年代末提出，目前在光纤工程中应用了非常广泛的光时域反射(OTDR)技术，继续发展。这10多年来，开发了一系列分布式光纤传感机制及测量系统，并在多个领域得到了逐步应用。目前该技术已成为光纤传感技术中最有希望的技术之一。分布式光纤传感技术的特点分布式光纤传感系统的传感元件只是光纤；通过一次测量，可以得到在整个光纤区域测量的一维分布图，通过将纤维做成晶格形状，可以测量正在测量的二维和三维分布。系统的空间分辨率一般在米的水平，所以对于在更窄的范围内测量的变化，一般只能观测到其平均值。检测信号一般较弱，因此信号处理系统的信噪比要高。检测过程中需要进行大量的信号相加平均、频率扫描、相位跟踪等处理，因此完美的测量需要很长时间。根据信号特性可分为四类的检测技术使用后瑞利散射检测技术；利用拉曼效应检测技术；采用布里渊效应检测技术；使用正向传输模式耦合检测技术。采用瑞利散射检测技术；基于反向瑞利散射的传感技术是20世纪80年代初期广泛发展的现代分布式光纤传感技术的基础。但是该技术难以克服测量精度低、检测距离短的缺陷，目前对此几乎没有研究。一束脉冲光在光纤中传播时，光纤中折射率的微不均匀性导致瑞利散射。如果外部物理量的变化可能引起光纤的吸收、损耗特性或瑞利散射系数的变化，则可以检测后向散射光信号的强度，从而获得外部物理量的大小。目前，基于后向瑞利散射光强度调制的传感器有利用微弯曲损失的分布式纤维力传感器、在辐射调查中利用光纤材料的光损失构成的分布式辐射传感器、利用化学染料的光吸收特性构成的分布式化学传感器、利用液芯光纤瑞利散射系数和温度的关系构成的分布式温度传感器。强度调制类型、偏振状态调制类型、光纤被某些外部物理量调制时，光的偏振状态发生变化，并且在散射点，瑞利散射光的偏振方向与入射光相同，因此在光纤入射端检测瑞利散射光的偏振状态和光信号的延迟时间时，可以获得外部物理量的分布。该技术可用于多种物理量测量，因为磁场、电场、侧压力和温度调制了光纤的光偏振状态。传感技术采用拉曼效应；光通过光纤时，光子和光纤的光声子会发生非弹性碰撞，发生拉曼散射，波长大于入射光，波长小于入射光的反斯托克斯光。斯托克斯光与反斯托克斯光的强度比和温度变化有一定的对应关系。将此特性与宽间隔区域反射技术相结合，实现温度的色散检测。基于拉曼散射的分布式温度检测技术，采用斯托克利和反斯托克斯光强度比，是消除光纤固有损耗和不均匀性影响的分布式光纤检测技术中最成熟的技术。对这项技术的研究主要是英国的金大学，中国的重庆大学，中国的计量学院。采用布里渊效应检测技术；光通过光纤时，光子和光纤中自发热运动产生的声子会引起自发布的梁散射中发生的非弹性碰撞。散射光的频率相对于入射角和光纤的材料特性而变化。与布里渊散射频率相关的光纤材料特性主要受温度和变形的影响，因此，通过测量脉冲光的后布里渊散射光的频率移动，可以实现漫射温度、应变测量。该技术最初由日本ntt公司的horiguchi提出，由于在温度、应变测量中可实现的测量精度、检测长度和空间分辨率比其他检测技术高，目前备受关